（计算机应用技术专业论文）层流冷却过程控制模型参数智能优化策略及应用研究.pdf

摘要 卷取温度对带钢的金相组织影响很大，是决定成品带钢加工性 能、力学性能、物理性能的重要工艺参数之一。层流冷却过程具有强 非线性、不确定性、时变的特点，采用传统的基于传热机理和统计分 析的建模方式难以满足卷取温度优化控制要求。本文针对层流冷却控 制系统的不足，提出了基于智能建模理论的控制模型参数优化策略， 有效地提高了卷取温度的控制精度。论文的主要研究成果包括： ( 1 ) 针对卷取温度控制的问题，深入研究了层流冷却工艺流程、 卷取温度模型和基本控制策略。总结现有系统的不足主要包括：前馈 模型仅考虑实际终轧温度的变化，控制精度不高；热流密度的计算公 式不能很好反映相关因素与热流密度之间的非线性关系；卷取温度模 型没有考虑带钢厚度方向的热传导，使得厚板的控制精度偏低； ( 2 ) 分析了实际终轧温度、目标终轧温度、目标卷取温度、运 行速度、冷却水温、总流量、带钢厚度等参数对卷取温度控制精度的 影响。针对它们之间存在的严重非线性关系，建立了基于b p 神经网 络的卷取温度预测模型，用预测卷取温度与实际卷取温度的差值作为 前馈模型的输入，有效地提高了前馈模型的控制精度； ( 3 ) 针对传统基于多元回归的热流密度模型计算精度不高，不 能很好反映相关因素与热流密度之间的非线性关系，建立了基于b p 神经网络的热流密度模型。离线仿真结果表明b p 模型的均方根误差 小于回归模型的均方根误差，有效地提高了热流密度的计算精度； ( 4 ) 考虑带钢内部的热传导，建立了基于线性回归的表面温度 修正模型，对实时采集的终轧温度和卷取温度进行补偿，提高了厚板 的控制精度； ( 5 ) 实现了控制模型参数智能优化算法和模型白适应算法的工 业测试运行。 运行结果表明本文提出的层流冷却过程控制模型参数智能优化 策略有效地提高了带钢头、中、尾部卷取温度的控制精度。 关键词：层流冷却，卷取温度，预测控制，神经网络，线性回归 a b s t r a c t c o i l i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hi so n eo ft h ei m p o r t a n tc r a f tp a r a m e t e r s ， d e c i d e st h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dt h e p h y s i c a lp e r f o r m a n c eo ff i n i s h e ds t r i pp r o d u c t ，a n dh a si n f l u e n c eo n s t r i p sm e t a l l o g r a p h i cp h a s e s i n c el a m i n a rc o o l i n gp r o c e s sh a ss t r o n g n o n l i n e a r ，u n c e r t a i n ，a n dt i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et r a d i t i o n a l m o d e l i n gm e t h o d ，w h i c hw a sb a s e do nh e a te x c h a n g em e c h a n i s ma n d s t a t i s t i ca n a l y s i s ，c a n n o ts a t i s f yt h ed e m a n d so ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r e o p t i m a lc o n t r 0 1 b e c a u s eo ft h es h o r t a g eo ft h el a m i n a rc o o l i n gs y s t e m ， t h i s p a p e rp r o p o s e st h r e ec o n t r o l m o d e lp a r a m e t e ro p t i m a l s t r a t e g i e s w h i c h e f f e c t i v e l y e n h a n c et h ec o n t r o l p r e c i s i o n o ft h e c o o l i n g t e m p e r a t u r e ，b a s e d o n i n t e l l i g e n tm o d e l i n gt h e o r y t h e m a i n a c h i e v e m e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) a i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，id o s o m er e s e a r c h e si nt h el a m i n a rc o o l i n gt e c h n i c a l p r o c e s s ，t h ec o i l i n g t e m p e r a t u r em o d e la n dt h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g y t h ef l a wo ft h ee x i s t i n g s y s t e ma r eg i v e na sf o l l o w s ：t h ef e e d f o r w a r dm o d e lo n l yc o n s i d e r st h e c h a n g e o ft h ea c t u a lf md e l i v e r y t e m p e r a t u r e ，h e n c e ，t h ec o n t r o l p r e c i s i o ni sn o th i g h ；t h ef o r m u l ao ft h eh e a tf l o wd e n s i t yc a n n o tr e f l e c t t h en o n l i n e a rr e l a t i v eb e t w e e ni n f l u e n c ef a c t o r sa n dh e a tf l o wd e n s i t y w e l l ；a n dt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r em o d e li g n o r e st h eh e a tc o n d u c t i o n a l o n gt h i c k n e s sd i r e c t i o no fs t r i p ，w h i c hl e a d st oal o wc o n t r o lp r e c i s i o n o ft h et h i c ks t r i p ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo nt h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r e c o m i n g f r o mt h e p a r a m e t e r s ，w h i c h i n c l u d ea c t u a lf m d e l i v e r y t e m p e r a t u r e ，t a r g e tf md e l i v e r yt e m p e r a t u r e ，t a r g e tc o i l i n gt e m p e r a t u r e ， a c t u a lv e l o c i t nc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，t o t a lf l o wa n dt h i c k n e s s ，i s a n a l y z e d ap r e d i c t i v ec o o l i n gt e m p e r a t u r em o d e li se s t a b l i s h e db a s e do n t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r e d i c t i v ev a l u e a n dt h ea c t u a lv a l u ei st a k e na st h ei n p u to ft h ef e e d - f o r w a r dm o d e l ，a n d i ti sv e r ye f f e c t i v et oi n c r e a s et h ef e e d f o r w a r dm o d e lc o n t r o lp r e c i s i o n ( 3 ) a i m i n ga tt h el o wp r e c i s i o no ft h et r a d i t i o n a lh e a tf l o wd e n s i t y m o d e lb a s e do nam u l t i r e g r e s sm e t h o d ，an e wm o d e lb a s e do nb pn e u r a l n e t w o r k si se s t a b l i s h e d t h er e s u l t so fo f f - l i n es i m u l a t i o nh a s d e m o n s t r a t e dt h a tt h er o o t m e a n s q u a r ee r r o ro ft h eb pm o d e li sl o w e r t h a nt h a to ft h er e g r e s sm o d e l ，a n dt h eh e a tf l o wd e n s i t yc a l c u l a t i o n p r e c i s i o ni si n c r e a s e de f f e c t i v e l y ( 4 ) c o n s i d e r i n gt h ei n n e rh e a tc o n d u c t i o no ft h es t r i p ，as u r f a c e t e m p e r a t u r ea m e n d a t o r ym o d e lb a s e do nl i n e a rr e g r e s si sc o n s t r u c t e dt o c o m p e n s a t et h er e a l t i m eg a t h e r i n gf md e l i v e r yt e m p e r a t u r ea n dt h e c o i l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h et h i c ks t r i pi s i n c r e a s e d ( 5 ) t h ei n d u s t r i a lt r i a lr u no ft h ec o n t r o lm o d e ip a r a m e t e r i n t e l l i g e n to p t i m a la l g o r i t h ma n ds e l f - a d a p t i v ea l g o r i t h mh a sr e a l i z e d r u n n i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm o d e lp a r a m e t e ri n t e l l i g e n t o p t i m a ls t r a t e g i e so ft h el a m i n a rc o o l i n gp r o c e s sp r o p o s e di nt h i sp a p e r h a v ee f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h e h e a d t h em i d d l ea n dt h et a 订o f t h es t r i p k e yw o r d s ：l a m i n a rc o o l i n g ，c o o l i n gt e m p e r a t u r e ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ， n e u r a ln e t w o r k s ，l i n e a rr e g r e s s i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 鸯墓! 日期： 塑曼年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储躲驻新虢匏屯：年月鱼日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 钢铁是现代社会最重要的原材料，其产量和质量标志着一个国家的发达程度 和经济实力。2 0 0 5 年中国粗钢产量达到3 4 9 3 61 5 万吨，比上年增长2 4 ，约相 当于全世界产量的3 0 ，居世界第一位。随着中国城市化进程的加速，交通、 能源等基础设施的大规模建设，以及制造业尤其是汽车、家电等产业的快速发展， 钢材需求将有增无减，钢材消费结构也将由以棒带材为主向板材转型。 薄板坯铸轧是二十世纪八十年代以来逐步发展和完善的高新技术，代表着世 界钢铁工业发展的方向。从1 9 8 9 年世界上第一套薄板坯铸轧生产线在美国纽柯 公司问世以来，各国竞相发展。2 0 0 5 年中国轧钢生产线，新增产能近4 0 0 0 万吨。 其中，热连轧宽带轧机1 1 套，年增产能2 3 9 0 万吨1 2 i 。 层流冷却位于热轧生产线的精轧机与卷取机之间，是控制冷却的一种方式， 其目的是将带钢从终轧后的温度冷却到相变后的卷取温度。该技术不仅能大大缩 短带钢的冷却时间，大幅度提高产量，更重要的是它能够通过控制冷却速度，改 变带钢的金属组织结构，在不降低韧性的情况下，提高钢材强度，减少板带的不 平整度以及残余应力，从而明显地提高带钢质量，为企业带来显著的经济效益口j 。 本文以国内某大型钢铁集团热轧板厂c s p 生产线层流冷却过程为研究背景， 通过建立基于b p 网络的卷取温度预测模型和热流密度模型，基于线性回归的表 面温度修正模型，对控制模型参数进行优化，以实现层流冷却过程的优化控制。 1 1 研究背景及意义 卷取温度对带钢的金相组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、力学性能、 物理性能的重要工艺参数之一【“。卷取温度的控制，本质上是热轧带钢生产中的 轧后控制冷却，而轧后控制冷却影响产品质量的主要因素是，冷却开始和终了的 温度( 冷却开始温度基本上就是终轧温度) 、冷却速度以及冷却的均匀程度。过 高的卷取温度，将会因卷取后的再结晶和缓慢冷却而产生粗晶组织及碳化物的积 聚，导致力学性能变坏”i ，以及产生坚硬的氧化铁皮，使酸洗困难。但如果卷取 温度过低，一方面使卷取困难，且有残余应力存在，容易松卷，影响成品带卷的 质量；另一方面，卷取后也没有足够的温度使过饱和的碳氮化合物析出，影响轧 材性能。因此，将带钢卷取温度控制在由钢的内部金相组织所确定的范围内，是 保证带钢质量的一项关键控制措施【6 j 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 层流冷却是控制带钢卷取温度，获得理想轧材组织和性能的一种有效方法， 在目前的带钢热轧制中有着广泛的应用7 1 。一般而言，常用的控制冷却方式有： 高压喷嘴冷却、板湍流冷却、喷淋冷却、雾化冷却、水幕冷却、层流冷却等”。 各种冷却方式都有其各自的优缺点，见表1 一ie 1 2 。采用哪种冷却方式应根据具体 工艺环境和限定条件确定。 表i - i 几种冷却方式的特点 目前世界上所采用的控制冷却设备主要为水幕冷却系统和柱状层流冷却系 统【l3 ”】。这两种冷却方式都可以依据带钢速度和厚度进行水量调节，以达到需要 的冷却速率，使带钢全长均匀冷却。虽然水幕冷却具有最强的冷却能力，但据西 德克虏伯公司对层流、水幕、喷射3 种冷却方式的对比实验表明【1 8 1 ( 如图1 1 所 示) ，层流冷却方式的冷却均匀性最高，而冷却强度只比水幕冷却稍低，因此层 流冷却是多数热轧生产线的主要冷却方式【1 ”。 | | | | 薹 心 舍、l 乒 ，i ；i 节l j l ! 罕= ；丁 k 集管层流水幕喷射 图1 1 三种冷却方式冷却水在钢板上的分布情况 中南大学硕二l 学位论文第一章绪论 由此可见，研究层流冷却卷取温度的优化控制对于提高产品质量，降低废品 率，增加企业的经济效益，有着非常重要的现实意义。另一方面，层流冷却控制 系统主要由国外开发，对其的研究也相对成熟，国内还处在引进、消化、吸收的 阶段。研究和优化层流冷却控制系统，对于我国掌握国外先进的制造技术，提高 产品在国际市场的竞争力，也有着重大而深远的意义。同时，也为我国今后独立 自主地开发新钢种( 如多相混合组织钢、铁素体区轧制钢) 的冷却控制系统打下 了坚实的基础。 1 2 国内外研究现状 卷取温度控制是层流冷却过程的核心任务，而温度控制精度在很大程度上依 赖于过程数学模型的精度i 2 。 早期，层流冷却系统的技术改造主要集中在工艺设备的改进方面。九十年代 后，近几年来，国内外对卷取温度控制的研究主要包括两个方面：一是通过对冷 却过程的研究建立精确的导热数学模型；二是针对卷取温度控冷过程的特点对控 制策略进行研究。具体内容有以下几个方面。 ( 1 ) 换热机理的研究。z u m b r u n n e n 等人对冷却冲击区换热形式进行了分类， 包括冲击区内的强制对流换热、与周围环境的热辐射、带钢上表面平行水流膜沸 腾区的强制对流换热、与输出辊道的热传导、空气对流换热、带钢内部热传导【2 ”。 y a n a g i 等人通过实验表明，高温带钢运动时冷却水的冷却效率要低于带钢静止时 的情况 2 2 l 。g u o 提出速度对带钢冷却的影响是双方面的，一方面速度改变了热交 换系数，在高速时使局部的热交换比较充分，同时还改变了带钢与冷却介质的接 触时间，在高速时会使带钢总温降量减少【2 3 “】。h a t t a 等人认为，钢板静止时在 冲击区外的换热量实际更大一些，这时的换热量是时间、钢板温度、沸腾状态以 及冷却水流量的函数【25 1 。f i l o p o v i c 等人利用z u m b r u n n e n 等人的实验数据和结果， 建立了冲击区内的换热模型，其中考虑了冷却水喷射冲击压力的分布，并且假定 了核沸腾过渡区的换热模型【2 6 】。在冲击区之外，膜沸腾是整个输出辊道水冷区 基本的换热形式”l 。l i u 等人在d q s k 平t l 不锈钢板上进行瞬时的冷却实验。结果 表明，水温对冷却强度有很大的影响。 ( 2 ) 数学模型的研究【2 9 _ 3 1 l 。以往的层流冷却温度场数学模型往往是实际冷 却过程的简化形式，这样可大大减少计算时间，容易实现，但同时可能对冷却效 果带来不利的影响。例如：应用于攀钢口2 j 的由意大干o a n s a l d oi n d u s t r i a 公 司开发的数学模型比较简单，但对流换热系数的确定不够精确：应用于鞍钢热轧 厂、本钢1 7 0 0 m m 热连轧厂和宝钢2 0 5 0 m m 热连轧厂 3 3 - 3 5 的由德国s i m e n s 公司开 中南大学硕士学位论文第一章绪论 发的数学模型没有考虑带钢与环境的热辐射，也没有考虑水温、带钢运行速度、 终轧温度、卷取温度对模型参数的影响，而且模型中的时间常数描述的是带钢表 面温度，对厚规格带钢的控制效果不理想，模型精度受到了限制；应用于宝钢 1 5 8 0 m m 热连轧厂【3 6 1 的由日本三菱电器公司开发的数学模型，对各种对流换热因 素考虑得较全面，是一种较先进的卷取温度控制模型，但还需对许多参数进行回 归，按照厚度层别等做成一系列控制表。 ( 3 ) 换热系数的研究口7 1 。换热系数是卷取温度控制的关键因素，但却很难 确定。换热系数受多种因素的影响，如水温、冷却速度、带钢运行速度等。文献 f 3 8 给出了水冷区换热系数的解析式。文献 3 9 提出换热系数应在实测温度和理 论模型计算相结合的基础上来确定和修改。文献 4 0 提出用神经网络学习换热系 数。文献 4 1 则用在线自适应学习的方法确定和修正换热系数。 ( 4 ) 相变的研究。冷却过程中存在相变，相变将释放大量的热量，而这部 分热量无法实测，因此研究相变的意义在于：通过确定相变开始点，增加相变开 始后的冷却水量，从而获得精确的温度控制【4 1 1 ；相变开始前，以较大的冷却速 度冷却，提高冷却效率，而在相变发生后，以较平稳的冷却速度冷却，获得良好 的晶粒组织结构1 4 2 - 4 3 1 和良好的产品机械性能。c c t 图可反映了冷却速度和相变点 的关系 删。文献 3 9 1 用递归方程统计出相变开始温度，然后对冷却速度插值计算， 求出具体的相变开始温度。伊腾高幸在文献 4 5 1 e 0 给出了各相比热及相变潜热与 温度之间的关系。文献 4 6 介绍了荷= a z h o o g o v e n 热轧厂物理模型分为换热模型和 相变模型。 ( 5 ) 控制策略的研究。根据卷取温度控制的工艺特点，目前控冷的方式基 本上采用预设定计算、前馈控制、反馈控制和模型参数自适应等几个部分，并且 采取动态控制的方法，就是把带钢延长度方向进行分段( s e g m e n t ) ，把冷却辊 道也在物理上分成冷却区( s e c t o r ) ，每个冷却段由若干阀组成，然后动态跟踪 每一个s e g m e n t ，即确定带钢的某一段到达某个冷却区的时刻以及经过的时间， 以便在前馈和反馈时确定应调整的水阀数。易知，带钢和冷却区分得越细，带钢 长度方向上的冷却控制将越均匀，控制精度越高，但控制也越复杂。 随着材料科学和计算机科学的迅猛发展，热轧带钢温度控制数学模型技术 成为多学科结合的应用技术。以层别划分为基础，以插值计算为方法的常规“格 子”模型，正逐渐被采用智能方法的模型所取代，从而更加精确地描述冷却过程 中的物理冶金现象。 近几年，国内大量引进国外先进的板带轧制技术，尤其是c s p 生产线。国内 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 钢铁企业纷纷与高校和知名冶金科研机构合作，消化引进技术，优化系统结构， 以提高控制精度。例如：首钢对原有的上、下水阀水流量进行调整，使带钢的板 形控制有所提高；辽宁鞍钢采用了“两步冷却的设备布置及控制策略”，对其层 流冷却设备和测温点进行了重新的布置；唐山钢铁公司从理论和工艺的角度分析 了控冷过程中换层别后自适应能力差、尾部温差大以及低目标卷取温度精度低等 问题产生的原因，提出了虚拟检测水温、反推减速点、细化层别等对应的优化策 略。 随着智能控制理论的发展，为描述与控制不确定、非线性的复杂过程提供了 理论基础，也使得智能控制在层流冷却中的应用越来越广泛。例如：东北大学采 用模糊自整定p i d 参数控制器对宝钢热轧板厂的层流进行了模拟冷却控制，使 得带钢头、尾部的卷取温度控制精度有所提高，但中部控制精度的提高效果不明 显：燕山大学提出了人工神经网络的方法，利用实际生产数据对b p 神经网络进 行了训练和仿真，离线实现了卷取温度高精度的实时预报。 综上所述，层流冷却卷取温度控制的研究经历了机理研究、数学模型研究、 温度预报模型研究、模型集成研究、开发专家系统和智能控制自动化等阶段。今 后层流冷却数学模型主要有两个发展方向：一是精细化，对各种影响因数、模型 系数研究较明确和透彻，丰富层冷数据库，提高硬件代替软件的比率，比如直接 下载水压与传热的控制图表，而不是通过实时计算来进行在线控制；二是借助智 能化技术，比如人工神经网络、专家系统、模糊理论和数据挖掘技术等，按照系 统的观点建立目标值与影响因数之间的关系，进行模糊化最优处理1 4 ”。 1 3 研究内容与研究目标 国内某大型钢铁集团为了优化产品结构，提高产品质量，增强企业的市场竞 争能力和发展后劲，新建了属于世界先进工艺的“紧凑式带钢生产线”( c o m p a c t s t r i pp r o d u c t i o n ) ，主要生产3 m m 以下优质薄板，产品广泛应用于家电、制造、 机械、建筑、轻工等领域。生产线主要设备包括两套机一流”的薄板坯连铸机、 两座辊底式均热炉、一台高压水除鳞机、一台带立轧机的七机架精轧机、一套层 流冷却设备、一台高速飞剪机、两台地下卷取机以及一套离线平整机组。其中， 主体工艺设备、三电设备以及控制系统均为国外引进。 经过一段时间的运行，现场数据表明带钢卷取温度的控制精度不尽人意，亟 待改进。主要表现为卷取温度波动大，偏差最多达到1 1 0 ；头、尾部控制效果 差，尤其是头部卷取温度的较大偏差，可能导致无法卷取的“废钢”事故；中、厚 板的控制精度低于薄板；换规格后第一块带钢命中精度低。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 针对以上问题，在对冷却数据进行分析的基础上，研究现有卷取温度模型和 控制策略的不足，考虑到层流冷却过程的不确定性、时变性、强非线性等特点， 利用先进控制技术和智能控制方法处理非线性、强耦合性、时变、大滞后的多输 入多输出复杂过程的优势，对层流冷却过程控制模型参数进行智能优化算法的研 究。主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 熟悉层流冷却工艺流程，深入研究卷取温度模型、冷却方式、基本控 制策略以及带钢在冷却区的换热机理和控制规律，找出其中的问题和不足： ( 2 ) 分析历史数据，研究各影响因素与卷取温度控制精度之间的相关性特 征，利用先进控制理论和建模方法，提出过程参数智能优化策略，并进行仿真分 析，研究优化策略的可行性。在可行的基础上，研究样本更新和模型自学习方法： ( 3 ) 实现参数优化算法、样本更新和模型自适应算法，设计带参数优化策 略的控制系统与原系统的通信接口，包括访问o r a c l e 数据库的接口和p l c 通信 接口，以实现卷取温度的在线优化控制。 1 4 论文构成 论文以某大型钢铁集团热轧板厂层流冷却过程为研究对象，针对其运行过程 中出现的问题，首先对工艺流程、卷取温度模型和基本控制策略进行了研究分析， 找出了其中的问题和不足。针对这些不足从三个方面提出了参数优化策略，包括 建立卷取温度预测模型、优化热流密度模型、建立表面温度修正模型。其中，通 过多个影响因素之间的相关性分析和误差分析，确定利用b p 神经网络理论建立 和优化前两个模型。而表面温度修正模型考虑了带钢在厚度方向的热传导，并得 出带钢内外温度偏差与厚度之间的近似线性关系，利用回归的方法计算卷取温度 和终轧温度测量值的补偿值，提高了厚板的控制精度。论文最后介绍了控制模型 参数优化算法的系统实现和工业应用，运行结果表明参数优化策略取得了预期的 效果，卷取温度的控制精度得到了提高。论文的后续章节安排如下： 第二章对层流冷却工艺流程、卷取温度模型、基本控制策略进行了分析，研 究了前馈补偿模型的不足，以及热流密度计算模型的问题，提出了基于神经网络 建模和表面温度修正的参数优化思路； 第三章在前一章机理分析的基础上，针对层流冷却控制系统存在的问题，阐 述三种参数优化策略：一是建立基于b p 神经网络的卷取温度预测模型，将预测 值与目标值的偏差作为前馈模型的输入，以提高前馈补偿的精度；二是建立基于 b p 神经网络的热流密度模型，以替代基于最小二乘法的多元线性回归模型，利 中南大学顾：i ：学位论文 第一章绪论 用神经网络优异的非线性处理能力来提高热流密度的计算精度，进而提高卷取温 度模型的精度；三是针对厚板控制效果偏低的问题，通过对带钢沿厚度方向的热 传导分析，提出了建立基于线性回归的表面温度修正模型，用平均温度替代表面 温度参与卷取温度模型的计算，以提高厚板的控制精度： 第四章主要介绍了带参数优化策略的层流冷却控制系统的硬件结构，数据采 集和预处理流程，控制模型参数优化算法的实现，样本更新和模型自适应算法， 最后给出了系统试运行结果，并对运行情况进行了分析； 第五章为结论与展望，简要总结本论文研究成果，并对研究工作的进一步完 善和深入进行了展望。 中南大学颀：t 学位论文 第二章层流冷却控制系统分析 第二章层流冷却控制系统分析 层流冷却控制系统的核心是卷取温度模型，主要是基于换热机理和经验公式 建立。但是，影响带钢卷取温度的因素很多，包括带钢的材质、厚度、速度、冷 却水流量、水温、水压、终轧温度、热传导、对流、辐射、相交潜热等，这些因 素对卷取温度的影响机理十分复杂，部分因素的影响效果无法测量，很难在数学 模型中精确描述。因此，有必要利用先进的智能控制理论对层流冷却过程控制模 型参数的智能优化策略进行研究。 本章首先介绍层流冷却过程的工艺流程、卷取温度数学模型以及基本控制策 略，总结层流冷却控制的难点和存在的问题。然后，针对控制策略和卷取温度模 型的不足，对冷却数据进行相关性分析，提出了基于智能建模方法的控制模型参 数优化思路。 2 1层流冷却工艺流程 层流冷却是控制带钢卷取温度的有效方法，其思想是确定一个临界表面温 度，在该温度以上采取密集喷水，使其快速冷却达到临界值；然后采取稀疏喷水 方式或空气冷却方式使带钢内外热交换，达到均匀冷却；最后根据实测带钢温度 进行精调冷却，使其达到卷取温度的允许公差范围48 1 。层流冷却过程的工艺流 程示意如图2 一l 所示。 图2 - l 层流冷却工艺流程示意图 中南大学硕：t 学位论文第二章层流冷却控制系统分析 图中，带钢经过七级热连轧，进入层冷区域，经水冷和空冷作用后，降到合适的 卷取温度，最后进入卷取机变成钢卷。中间的水冷区域是主要的强制冷却过程， 水冷区与终轧测温仪( f d t ) 之间有两段空冷区，水冷区与卷取测温仪( c t ) 之间有一段空冷区。水冷区共分为八段，输出辊道上下各布置一排喷水架，其中 前七段喷水架上挂可由四组阀门控制的喷水管，第八段喷水架上挂可由八组阀门 控制的喷水管。当热轧带钢进入冷却区后，冷却水将以均衡的压力和流量好像分 层一样喷向带钢。对层流冷却系统的控制主要是调节喷水阀的开闭数量，水阀的 喷水由7 2 个电动阀门控制，上下侧各3 6 个。水冷区域的前七段为粗冷段，每侧 前2 8 个为粗调水阀：第八段为精冷段，每侧最后8 个为精调水阀。每个粗调水 阀控制两个喷水管，每个精调水阀控制一个喷水管，因此一个粗调水阀控制的水 流量是精调水阀的两倍。 水冷区域前端的终轧测温仪用来测量带钢进入层流冷却区的温度，后端的卷 取测温仪用来检测带钢冷却后的实际卷取温度，这两个温度值将作为主要控制参 数由p l c 系统采集传送n - 级机，供卷取温度模型使用。 带钢段和冷却区的定义如图2 2 所示。 图2 - 2 带钢段和冷却区域大小的定义 在图2 - l 中，水冷区一共分为八段，每段水冷区的长度约为4 8 m 。带钢按 照进入水冷区的顺序，以48 m 的相同长度划分带钢段，以便于分段控制。带钢 宽度略小于冷却区宽度。 中南大学硕士学位论文 第二章层流冷却控制系统分析 2 2 卷取温度数学模型 卷取温度模型是层流冷却控制系统的核心，与带钢材质、厚度、冷却水量、 水压、水温及水流运动形态、热传导等因素都有关系，这些因素的影响机理十分 复杂。带钢的散热过程示意可如n 2 - 3 所示。 图2 - 3 带钢散热过程示意图 从图2 3 中可知带钢在冷却区的散热过程包括五个方面：带钢与冷却水、空 气和辊轴的热交换、热辐射以及热相变。其中，水冷、空冷和热相变散热是最主 要的途径，因此，实际应用的卷取温度如式( 2 1 ) 所示。 鲁一2 缈a a ( t 一疋) 一器( r - 巧) + 万q t ( 2 - 1 ) 空冷水冷热相变 卷取温度模型的作用是要估算带钢通过每一段冷却区，在多种传热机理综合 作用下的温度降。控制系统将根据估算的温度降迭代计算各段水阀开闭的数量， 以实现带钢的冷却。 式( 2 1 ) 所示的卷取温度模型，主要是依据传热学的基本规律，从热平衡 出发推导而来的。其中，热相变散热量的确定可基于a v r a m i 方程和s c h e i l 【5 0 1 的 叠加性法则进行推导，本文不作详细说明。 带钢与空气、冷却水之间的热交换则可依据牛顿冷却公式【5 1 】进行推导。其 具体过程如下： 由牛顿冷却公式知，在单位时间内，物体散失的热量为 1 0 中南大学硕士学位论文第二章层流冷却控制系统分析 q = 一优4 ( 7 1 一瓦) ( 2 2 ) 式中，口为对流换热系数；t 为带钢温度；l 为冷却介质温度：4 为带钢与冷却 介质接触的面积。 式( 2 - 2 ) 的微分形式为 d q = 口p 一瓦胁 ( 2 3 ) 当温度下降为d t 时，带钢的热焓量变化为 d q = ( p p a h d t ( 2 - 4 ) 其中，妒为钢材比热，k c a l k go c ；p 为带钢密度，k g m 2 ；h 为带钢厚度，m 。 如果忽略水冷区带钢的热辐射，带钢在时间r 内所散失的热量应等于热量的 变化，即 ；4 ( , o p h d 7 1 = 一口( 7 1 一t o ) 爿击 ( 2 5 ) 则，对流换热的温降方程为 d 丁= 一杀( 卜瓦净 ( 2 - 6 ) 劝、 对式( 2 - 6 ) 两边进行积分得 e 矗= f 2 面- 2 c t 础 沼， 式中，砭为带钢在，时刻的温度：t o 为带钢在f ：时刻的温度。 对式( 2 - 7 ) 整理后得 l n 孕冬一2 a ( t ：_ ) ( 2 8 ) 一瓦( p p h ” 设，= f 2 一f ，并令= 罢，代入式( 2 8 ) 并整理得到 母o n = t o + ( 瓦一t o ) e x p “ ( 2 9 ) 中南大学硕士学位论文 第二章层流冷却控制系统分析 将式( 2 6 ) 进行简单变形，用空气温度l 、冷却水温度l 替代介质温度l ， 并用空冷换热系数口。、水冷换热系数口。替代介质温度口，即可得到式( 2 - 1 ) 中 空冷、水冷的散热公式。 若将式( 2 9 ) 中的r 对应于带钢经过一段冷却区的时间，则疋和可分别 表示带钢进入一段冷却区的入口温度和带钢出一段冷却区的出1 3 温度，那么带钢 在空冷区和水冷区的情况可分别用式( 2 1 0 ) 和式( 2 - 1 1 ) 描述。 = 州圳唧( 警 沼 = l + 饥训唧( 等 沼 式中，r 。为带钢经过一段空冷区的时f m ；f 。为带钢经过一段空冷区的时i b q 。 式( 2 一l o ) 和式( 2 - 1 1 ) 中，空冷换热系数1 2 。和水冷换热系数口。是精确计 算温度降的关键，其大小与热交换过程的许多因素有关【4 ”。它不仅取决于流体 的物性及物体换热面积的形状，还与流体的流速有密切的关系。 目前，空冷和水冷换热系数的计算公式是基于大量工艺实验和统计分析得出 的，其表达式分别如式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 所示： 口4 = b o + 6 l t 3 + 6 2 丁17 4 + 6 3 y ( 2 - 1 2 ) 其中，t 为空冷区的入口温度：v 为带钢运行速度；6 0 6 3 为模型常量。 口。= z a w f 0 6 + k 。q 。) 。三。) f o = a o + a l h + a 2 怕焉+ 口4 搿蚂。+ t 6 v + a 7 导( 2 _ 1 3 ) q u t = m x f ” o “= , v 圪。 其中，z 。，为宽度修正系数： 为热流密度；q 。为上水阀流量；q 。为下水阀 流量；足。为冷却比率：b 为冷却区宽度：工。为冷却区长度；a 。日，为多 元回归系数，主要由工艺试验确定；h 为带钢厚度：为带钢宽度；璐为实际 终轧温度；嘴为目标卷取温度；l 为冷却水温；v 为运行速度；l 为终轧测温 仪到卷取测温仪之间的距离；m 为上水阀开的个数；”为下水阀开的个数；瓦。 为单个上水阀的流量；民。为单个下水阀的流量。 综上所述，卷取温度数学模型建立的基础是热传递和热平衡的基本原理，模 中南大学硕：i ：学位论文第二章层流冷却控制系统分析 型中的系数主要是通过大量工艺实验与回归分析方法相结合确定的，作为常量保 存在数据库中。 可以看出数学模型本身存在着不足，一是关键模型系数通过回归的方法获 得，不能良好地反映因素有的非线性影响：二是通过工艺试验获得的模型系数不 具各自适应功能，而是以固定值保存与数据库中，建立的随着生产的进行，工艺 设备和工况环境不可避免地会发生波动，固定不变的模型系数将直接导致卷取温 度控制精度的降低。这也是层流冷却控制系统对设备维护要求比较高的原因。 2 3 控制系统结构分析 卷取温度模型是控制系统进行计算的基础，本节主要对控制系统结构、冷却 方式选择以及基本控制策略几个方面进行介绍。 2 3 1 控制系统总体结构 控制系统总体结构如图2 4 所示。 图2 - 4 控制系统总体结构图 目前，层流冷却控制系统基本上采用分布式计算机控制系统( d c s ) ，一般 分为基础自动化和生产过程自动化两层控制级。 中南大学硕士学位论文 第二章层流冷却控制系统分析 过程控制级( 虚线所示部分) 承担的任务包括：从上级计算机获得目标卷 取温度、板带厚度和材质等相关参数；对板带进行跟踪和数据管理；提供操 作指导和人机对话；根据冷却策略确定喷水模式、起始阀门位置、最大喷水能 力；预设定模型计算阀门开启数量、位置和时间；绘制终轧温度、卷取温度 等数据的曲线图。 基础自动化级( 即p l c ) 承担的任务包括：执行上位机的设定值；进行 带钢位置的跟踪；提供操作指导、卷取温度曲线显示、喷水阀的直接干预控制； 进行操作方式的选择；进行侧喷水控制和辊道控制；向上位机提供实测值、 水阀故障数量及位置。 点划线所示的部分即为水冷区，过程控制级的不同控制模块通过基础自动化 级下发的控制内容是不同的。 2 32 冷却方式 理论上，带钢冷却方式主要分为四类：前段冷却：可以细化晶粒，提高强 度或者延伸率：后段冷却：使晶粒长大，减少强度或者延伸率；下部冷却： 主要用于花纹板的轧制：间隔冷却：主要用于高碳钢的轧制。其中下部冷却的 特点是只开下部喷水阀，其它三种冷却方式如图2 5 所示。 图2 - 5 冷却方式示意图 在实际的控制系统中，冷却方式一共细分为八种：前段慢速冷却( a 模式) 、 后段慢速冷却( b 模式) 、下部冷却( c 模式) 、间隔冷却( d 模式) 、前段快速 冷却( e 模式) 、后段快速冷却( f 模式) 、两步冷却( g 模式) 、自由冷却( h 模式) 。在当前的生产过程中，主要采用a 模式，辅助使用b 模式，其它模式没 有启用。 中南大学硕士学位论文第二章层流冷却控制系统分析 23 3 基本控制策略 层流冷却系统的基本控制策略包括如图2 - 4 所示的三大控制模块。各个模块 的具体功能如下： ( 1 ) 预设定模块。当带钢运行到热连轧第四道次( f 。) 的时候，该模块读 取带钢厚度、运行速度、钢种、冷却方式、目标终轧温度和目标卷取温度等参数， 依据卷取温度模型自各冷却段的温度降进行迭代计算，以确定水冷区第l 8 段水 阀的初始开闭模式担然后预先开启或关闭上、下冷却水阀担该模块主要是用克 服水阀响应延迟的影响，实际上是一种静态前馈控制方式。由，带钢通过冷却 区的时间很短，前馈补偿和反馈控制模块无法对带钢头部的控制偏差进行及时调 整，因此从整体上来说，预设定模块对卷取温度的控制效果起主要作用。而这 又取决卷取温度模型的精度： ( 2 ) 前馈模块。由预设定模块是在带钢到达终轧测温仪之前进行提前控 制，不可避免存在误差。前馈补偿模块就是根据计算终轧温度与实测终轧温度之 间的偏差，计算需要调整的流量大小，进而转化为第5 段水冷区阀门开闭数的调 整量，以补偿预设定模块产生的误差。该模块和预设定模块一起，相当于一个完 整的前馈控制器的作用： ( 3 ) 反馈模块。反馈控制是利用卷取测温仪采集的实际卷取温度与目标卷 取温度之间的偏差，计算总流量的调整量，对第8 段精调水冷区的水阀开闭数量 进行调整( 全开还不够时，可增开第7 段的水阀) 。此时，带钢段已经离开了水 冷区，该模块只能将这种调整用于后续带钢段的冷却。同时为了避免调整错误， 精调区的单个水阀流量只有粗冷区的一半，因此相对于前两个模块而言，该模块 属于辅助控制，不起主要作用。 2 4 参数优化的基本思路 从以上分析可以看出，层流冷却过程的卷取温度控制十分复杂，存在很多控 制难点。下面